系统工程与电子技术 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (6): 1964-1974.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2025.06.24

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无人艇编队避碰路径规划与重规划

刘伊婕1,2, 姜斌1,2,*, 马亚杰1,2, 李文博1,3, 刘成瑞1,3   

  1. 1. 南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 211106
    2. 飞行器自主控制技术教育部工程研究中心, 江苏 南京 211106
    3. 北京控制工程研究所空间智能控制技术全国重点实验室, 北京 100094
  • 收稿日期:2024-06-05 出版日期:2025-06-25 发布日期:2025-07-09
  • 通讯作者: 姜斌
  • 作者简介:刘伊婕 (2000—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为无人艇避碰路径规划与容错控制
    姜斌 (1966—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为故障诊断与容错控制及应用
    马亚杰 (1987—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为自适应故障诊断与容错控制
    李文博 (1984—), 男, 高级工程师, 博士, 主要研究方向为故障诊断与容错控制、系统可诊断性评价与设计
    刘成瑞 (1978—), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为控制系统故障诊断与容错控制
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(62273177);国家自然科学基金(62020106003);国家自然科学基金(62233009);江苏省自然科学基金(BK20211566);江苏省自然科学基金(BK20222012);高校学科创新引智基地(B20007);空间智能控制技术全国重点实验室开放基金(HTKJ2023KL502006);中央高校基本科研业务费(NI2024001)

Collision avoidance path planning and re-planning for USV formation

Yijie LIU1,2, Bin JIANG1,2,*, Yajie MA1,2, Wenbo LI1,3, Chengrui LIU1,3   

  1. 1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China
    2. Engineering Research Center of Autonomous Control Technology of Aircraft, Ministry of Education, Nanjing 211106, China
    3. National Key Laboratory of Space Intelligent Control, Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100094, China
  • Received:2024-06-05 Online:2025-06-25 Published:2025-07-09
  • Contact: Bin JIANG

摘要:

针对无人艇(unmanned surface vessel, USV)在障碍地图中的避碰路径规划问题, 提出一种基于改进蚁群算法的静态全局路径规划避碰方法, 并面向未知障碍给出一种局部路径重规划方案。运用栅格法对障碍环境进行建模; 通过设计复合启发函数, 提出一种信息素动态给予机制, 引入混沌优化算子, 解决传统蚁群算法易落入局部最优解和收敛性差的问题; 基于鱼群效应提出一种局部路径重规划方案, 解决USV编队在遭遇未知障碍时的路径重规划问题。对由5艘USV组成的分布式编队系统进行仿真实验, 验证了所提方法对编队避碰问题的有效性。

关键词: 无人艇编队, 路径规划, 路径重规划, 改进蚁群算法, 混沌优化

Abstract:

In view of the problem of collision avoidance path planning for unmanned surface vessel (USV) in obstacle maps, a static global path planning collision avoidance method based on improved ant colony algorithm and a local path re-planning scheme for unknown obstacles are proposed. The grid method is used to model the obstacle environment. By designing a composite heuristic function, proposing a dynamic pheromone giving mechanism, and introducing a chaotic optimization operator, the problems of traditional ant colony algorithms being prone to falling into local optima and having poor convergence are solved. Furthermore, based on the fish schooling effect, a local path re-planning scheme is proposed to solve the path re-planning problem of USV formations when encountering unknown obstacles. Simulation experiments on a distributed formation system consisting of five USVs are conducted to verify the effectiveness of the proposed method for collision avoidance in formation.

Key words: unmanned surface vessel (USV) formation, path planning, path re-planning, improved ant colony algorithm, chaos optimization

中图分类号: